Мы – электрические. Новая наука об электроме тела
Эта философия нравилась молодому Гальвани, и в ранней юности он попросился в монашеский орден. Однако семья убедила монахов отговорить его от этого шага, желая направить своего совершенно очевидно одаренного ребенка по пути с более широким кругом социальных возможностей. Так что в итоге Гальвани сдался и поступил в Университет Болоньи для изучения медицины и философии (он также изучал химию, физику и хирургию). Отец не ошибся относительно его способностей: Гальвани написал двадцать трактатов только о структуре, развитии и патологии костей. Получив докторскую степень, Гальвани начал изучать и преподавать анатомию в том же университете. По характеру он не был экстравертом, но стал популярным лектором[24]. Он был одним из первых профессоров, оживлявших лекции экспериментальными демонстрациями, и его энтузиазм оказался настолько заразительным, а объяснения настолько доходчивыми, что у него на занятиях часто собирались студенты из соседней академии искусств. В Университете Болоньи Гальвани быстро поднимался по академической лестнице и удостаивался почетных наград, а вскоре получил должность в Институте наук Болоньи – одном из первых современных экспериментальных институтов Европы.
Но Гальвани никогда не терял из виду дорогу, по которой так и не пошел; по всем свидетельствам, до конца дней он оставался истинным католиком. Не сумев посвятить свою жизнь Богу, уйдя в монастырь, он пытался сделать это в лаборатории. Он жил в соответствии со своими принципами, превратив работу в выражение веры. Кроме работы в университете, он стал практикующим врачом в местном госпитале и предпочитал оказывать помощь самым обездоленным, особенно женщинам. Акушерская деятельность подпитывала в нем глубокий и неизменный интерес к Творению. Больше всего ему хотелось понять научные основы того, как Бог смог разжечь в человеке искру жизни.
Гальвани оказался в идеальном месте и в идеальное время. Основанный в 1088 году Университет Болоньи был не только старейшим университетом Европы, но и самым прогрессивным и передовым. Например, там впервые в истории приняли на должность лектора по экспериментальной физике – женщину, Лауру Басси. Басси была чрезвычайно одаренной девушкой: она осваивала физику Ньютона в своей домашней лаборатории и установила контакт с электриками всего мира, включая Бенджамина Франклина и Джамбаттисту Беккариа, считавшихся ведущими теоретиками электричества той эпохи[25]. Эта связь означала, что университет находился в авангарде исследований важного нового явления. В отличие от некоторых современников, Гальвани никоим образом не был возмущен высоким положением женщины в университете и, вообще говоря, в науке в целом. Хотя никто в здравом уме и не повесил бы на него анахронистический ярлык феминиста, его все же раздражало мнение о том, что получать знания из уст женщины “смехотворно”. В частности, он невозмутимо сотрудничал со скульптором Анной Моранди и использовал изготовленные ею восковые анатомические модели на своих уроках анатомии[26], тогда как некоторых его коллег ужасала одна мысль о том, что женщина может их чему-то научить[27]. Эти предрассудки не волновали Гальвани, он часто посещал лекции Басси, и вскоре она и ее муж, профессор медицины Джузеппе Вератти, сделались его наставниками.
На пике своего влияния Джамбаттиста Беккариа послал им свой учебник, в котором он, подобно Франклину, начал выстраивать единую теорию электричества. Изучив потрясающую новую публикацию Джона Уолша с подробным изложением анатомии электрического угря, Беккариа стал тщательно прорабатывать идею о наличии природного электричества у животных. Басси и Вератти уговаривали своих учеников изучать влияние разряда лейденской банки на животных и предложили использовать лабораторию Басси для электрических опытов на сердцах, внутренностях и нервах лягушек.
В лаборатории Басси интерес Гальвани разгорался все больше и больше. В своих лекциях он сравнивал животный дух с электрической жидкостью. На одной лекции по анатомии, посвященной причинам смерти, Гальвани заявил, что они заключаются в исчезновении “самой благородной электрической жидкости, от которой, по-видимому, зависят движения, чувства, циркуляция крови и сама жизнь”[28].
Многие ученые уже начали склоняться к похожей интерпретации, однако они с осторожностью отнеслись к этому выводу, вызывавшему ненаучные ассоциации. Главная практическая проблема заключалась в отсутствии экспериментального метода для проверки этой гипотезы. Гальвани по-прежнему верил, что электричество (такое, как в молнии) может быть именно тем механизмом, с помощью которого Господь дает жизнь человеку и всем другим существам. И еще его волновало, что он может стать первым, кто откроет этот аспект Божьей милости.
В 1780 году он разработал программу изучения роли электричества в движении мышц и занялся строительством домашней лаборатории, что позволило бы ему уделять больше времени экспериментальной работе. В лаборатории была электростатическая машина, лейденская банка и другие новые версии электрических инструментов.
Вот тогда-то он и начал эксперименты с лягушками. Почему с лягушками? У лягушек очень легко найти нервы и легко наблюдать за сокращением мышц, которые продолжались вплоть до сорока четырех часов после того, как Гальвани расчленял их ужасающим способом в ходе препарирования. Все публикации Гальвани изобилуют жутковатыми изображениями экспериментов с земноводными. На одном рисунке представлена лягушка без головы, почти полностью лишенная передней части тела, но с тонкими нитями бедренных нервов, все еще соединяющих лапки с позвоночником[29]. На других изображены лягушки, разрезанные пополам ниже передних конечностей, без кожи и внутренностей. От них остались только лапки, соединенные куском позвоночника. Есть рисунок, на котором Гальвани и его помощники Джованни Альдини (его племянник) и Лючия (его жена) изображены в подвале лаборатории в окружении десятков таких освежеванных трупиков.
Этот весьма характерный способ препарирования лягушек (от которого Гальвани никогда не отходил) был позаимствован у Ладзаро Спалланцани – одного из ведущих натуралистов той эпохи, с которым Гальвани часто переписывался. Указания Спалланцани позволяли легко отделить причину от следствия. Если не оставалось ничего, кроме нерва, становилось понятно, что происходило при приложении электричества к нерву или мышцам.
Гальвани начал исследования с серии экспериментов, которые могли объяснить, почему электрический ток от искусственного источника вызывает мышечные сокращения. Было очевидно, что электрический разряд, приложенный к мышце, вызывает сокращение. Но каков механизм этого процесса? Для начала он просто повторил предыдущие эксперименты, прикладывая электрический контакт к разным частям тела лягушки. Электричество от генератора к конкретному участку тела он подводил с помощью проволоки и других металлических предметов, называемых арками, которые были присоединены к внешнему источнику электричества.
Обычно результаты соответствовали его ожиданиям, но в один прекрасный день вышло иначе. В тот день лягушка дернулась, хотя между ней и генератором не было никакого контакта. Гальвани дотронулся до оголенного бедренного нерва распластанной лягушки, а в это время в шести футах от него Лючия поднесла палец к генератору, от чего неожиданно возникла искра. И лягушка вздрогнула. Гальвани был поражен. Он не понимал, каким образом электричество могло быть передано мертвому животному при отсутствии привычного контакта между лягушкой и генератором электричества. Почему лягушка дернулась без воздействия электричества от какого-либо внешнего источника?
Ни одна из существующих гипотез не давала удовлетворительного объяснения, и с этого момента у Гальвани началось “воспаление”, как он позднее написал в рукописи[30]. Он начал маниакально повторять эксперимент в различных вариантах, используя все возможные источники “искусственного” электричества – лейденские банки, электростатические генераторы – и поочередно приближая к ним или удаляя от них тело лягушки. И каждый раз лягушка дергалась.
Пару раз Гальвани заходил в тупик. Поначалу он подумал, что в лаборатории есть какое-то атмосферное электричество, которое накапливается в теле лягушки, а потом разряжается при прикосновении. В 1786 году Гальвани решил поставить новый эксперимент и попытаться получить такой же результат с другими источниками электричества. Он повторил в несколько менее приглядном виде эксперимент Франклина с молнией, которым в итоге и определил мнение о себе среди широкой публики. Гальвани прицепил освежеванных лягушек крючками к металлическим перилам на террасе, так что их мышцы подсоединялись к длинной металлической проволоке, направленной в небо, где в это время собрались грозовые облака и раздавались раскаты грома. Отдаленная молния оказала на лягушек, висящих на металлических перилах, такое же действие, как и искусственный разряд: их лапки задергались в канкане смерти (еще несколько десятилетий после этого эксперимента Гальвани называли “мастером лягушачьих танцев”).
Гальвани решил, что надлежит повторить тот же эксперимент при свете дня. Но и в солнечный день лягушачьи лапки периодически повторяли свой танец. Гальвани смотрел на небо и не находил никаких признаков “штормового атмосферного электричества”. Тогда он стал тщательно рассматривать лягушек. Понаблюдав некоторое время за их подергиваниями, он начал понимать, что те совпадали не с погодными явлениями, а скорее с движениями латунных крючков, бьющихся о металлические перила. Он подошел к лягушке и надавил на крючок, за который она была подвешена к перилам. Лягушачья лапка сократилась. Он отпустил крючок, и лапка расслабилась. Он надавливал вновь и вновь, и каждый раз, когда он этот делал, лягушачья лапка реагировала, как по команде.
Тот факт, что лапка дергалась при любой манипуляции с крючком, указывал, что что-то есть внутри самой лягушки, возможно, какая-то “внутренняя молния”. Или собственная “лейденская банка”, как Гальвани предположил позднее. И это все меняло.
Тогда Гальвани притащил лягушек в лабораторию, теперь чтобы избежать малейшего влияния отдаленной молнии, поскольку считал, что это возбуждает нервы лягушек, как отдаленная искра в его предыдущих экспериментах. Он положил одну лягушку, все еще насаженную на крючок, на металлическую пластинку вдали от всех электрических устройств. Лапка дернулась. Можете представить себе, в каком возбуждении и напряжении Гальвани описывал этот эксперимент. Не было никакого внешнего источника электричества – он их все убрал. И это могло означать только одно: это доказывало, что электрический импульс исходил из самого животного. Или, как написал Гальвани, от механизма, позволявшего телу действовать “по указанию души”. В первый раз в этом документе, после страниц с описанием многочисленных экспериментов, он осмелился использовать выражение “животное электричество”[31].
Но он опубликовал свои результаты не сразу. Ученый, католический монах и биограф Гальвани брат Потамиан объясняет это силой характера Гальвани: “У него не было такого жгучего желания известности, которое заставляет людей меньшего масштаба кидаться публиковать свои зародышевые идеи в тот момент, как только они получают первые свидетельства новой истины”[32]. Прошло еще примерно пять лет, прежде чем он убедил сам себя в том, что другого объяснения этому явлению быть не может. В январе 1792 года Гальвани опубликовал свои результаты на пятидесяти трех страницах письма, озаглавленного “De viribus electricitatis in motu musculari” (“Трактат о силах электричества при мышечном движении”). Труд был опубликован на латыни в официальном издании Института наук Болоньи Commentarii и предназначался лишь для небольшого круга читателей. И все же статья распространилась со скоростью лесного пожара. Историки полагают, что Алессандро Вольта раздобыл одну из первых копий[33], и это объясняет быстроту его реакции.
Амбициозный электрик
Обстоятельства жизни Алессандро Вольты в некоторой степени напоминали обстоятельства жизни Гальвани. Он вырос на берегу одноименного озера в небольшом городке Комо в Ломбардии и происходил из семьи мелкопоместных дворян. Он жил на доходы от своего имения, а также вместе с братьями унаследовал еще немного средств от богатого родственника. Семья владела несколькими домами в Комо и Милане[34]. Вольта мог просто пользоваться этими деньгами и удовлетворять свое любопытство натурфилософа, как было модно в то время, но его раздражала перспектива тихого провинциального комфорта. Формально он был католиком, но больше всего желал проникнуть в круг натурфилософов, которых считал авангардом новой эры просвещения. “Новая эпоха взрывает “слепое суеверие” и людской бред старых времен” – такой помпезный дифирамб науке он записал в шестнадцать лет[35]. Вполне в соответствии с общим пренебрежительным отношением к теоретической физиологии (со всеми этими “животными духами” и “нервными соками”) в качестве “полезной науки” Вольта избрал физические науки с проверяемыми гипотезами.
В частности, зарождающаяся наука об электричестве казалась ему проявлением триумфа Разума над суеверием. Например, по его мнению, доказательство Франклином того, что молния имеет электрическую природу, а не является “элементом огня”, как гласили древние поверья, подтверждало очевидное превосходство понимания мира современных ему натурфилософов. Вольта мечтал примкнуть к их числу, но не просто в качестве образованного человека. Он жаждал называться электриком.
Он жадно поглощал все, что писали авторитеты в области электричества: Франклин, Мушенбрук и Джамбаттиста Беккариа, которые вместе с Басси распространяли в Европе идеи Франклина. Вольта избрал необычный путь, чтобы примкнуть к кругу знаменитостей: он начал им писать. Причем часто. В то время обращение к таким выдающимся фигурам без связей или протекции считалось довольно большой наглостью. Вольте было всего восемнадцать лет, но он комментировал зарождающуюся теорию электричества так, как будто был профессором, вступавшим в диалог с равными себе. В конечном итоге он отправил свое многословное сочинение Беккариа.
Беккариа не отвечал целый год, а когда наконец ответил, его послание содержало в себе оттиск его собственной новой статьи, в которой он излагал свою последнюю теорию электричества – путаное объяснение, основанное на трении различных веществ и их взаимной склонности “принимать” или “отдавать” электрическую жидкость. Эта его гипотеза была вежливо проигнорирована другими влиятельными учеными эпохи. Вероятно, это достаточно сильно печалило Беккариа, но дерзость молодого выскочки Вольты, писавшего о несоответствии этой гипотезы его собственной (полностью непрофессиональной) новой теории электричества, стала последней каплей. После еще нескольких бесплодных попыток наладить контакт оскорбленный Беккариа предложил Вольте “навсегда сохранить молчание по вопросам электричества”[36].
В последующих письмах Вольта храбро сменил тему, но остро почувствовал пренебрежительное отношение к своей персоне. И когда он предложил свою теорию на рассмотрение другому члену быстро разраставшейся группы ученых, с которыми состоял в переписке, он был готов на любые предложения. Паоло Фризи, который разделял неудовлетворенность Вольты гипотезой Беккариа, посоветовал Вольте не пытаться продолжать переписку, а “уделить столько же внимания научным инструментам, сколько он уделяет противоречивой теории”[37].
К этому времени Вольта уже загорелся другой идеей: он хотел стать не простым электриком, а профессором в этой области. Но для этого сначала нужно было обрести известность. Чтобы укрепить репутацию, доказав свою теорию о роли притяжения в электричестве, он начал работать с новым аппаратом. Это была электрофорная машина – новый инструмент, служивший “постоянным” источником электричества. Возможно, это слишком сильно сказано, но все же электрофор был значительным шагом вперед по сравнению с лейденской банкой, поскольку позволял производить сотню разрядов, прежде чем его приходилось заряжать заново, причем для зарядки можно было использовать ту же лейденскую банку, а не суетиться с куском янтаря и шелковой ткани.
“Прекрасно и полезно”: такую похвалу Вольта заслужил от Карло Фирмиана, своего самого влиятельного политического покровителя из Павии. Далее Фирмиан не удержался и добавил: “Это делает честь вашей стране и всей Италии, матери наук и искусств”. Несколькими месяцами позже, в возрасте тридцати четырех лет, Вольта возглавил кафедру экспериментальной физики в университете, но все еще не достиг того уровня уважения, к которому стремился.
Одна из причин заключалась в том, что два других натурфилософа-экспериментатора несколькими годами ранее уже изобрели нечто, напоминающее электрофор, и трудно поверить, что Вольта никогда о них не слышал. Эти подозрения усиливались еще и тем, что Вольта (всегда остававшийся скорее экспериментатором, чем теоретиком) никогда толком не мог объяснить, как именно этот прибор работает или какие силы им управляют. Когда его об этом спрашивали, он бормотал что-то невнятное о статье, которую писал, но пока он ее писал (чрезвычайно медленно), он понял, что может, в принципе, ее и не публиковать. Важна была не статья, а изобретение, которое уже утвердило его репутацию электрика. Благодаря обширной социальной и профессиональной сети, организованной Вольтой, электрофоры были разосланы ученым, занимающимся электричеством, во многие города – от Лондона до Берлина и Вены. За исключением нескольких неугомонных и язвительных скептиков, большинство электриков не интересовались сутью теории, если она позволила создать инструмент для продвижения науки. Но, хотя кое-кто уже называл Вольту “Ньютоном электричества”, скептики так и не отступали, посмеиваясь над его сомнительной статьей (которую он все же опубликовал, так и не приведя убедительных разъяснений[38]) и потихоньку поддерживая толки о том, что Вольта самовольно присвоил себе первенство в создании нового устройства. Вольта не мог избавиться от этих слухов на протяжении следующих шестнадцати лет, даже когда изобрел конденсатор – инструмент, по-настоящему изменивший науку. Конденсатор позволял обнаруживать электричество, а не производить его. И это был самый чувствительный из когда-либо созданных детекторов такого рода.
Но даже тогда критики с усмешкой называли его изобретателем “электрических забав”[39]. И именно в этот момент в 1791 году обидчивый, уязвленный и слегка раздосадованный Вольта впервые прочел копию статьи из Commentarii.
Поворот кругом
Поначалу рукопись Вольте очень понравилась. Хотя предубеждения против физиологов должны были оттолкнуть электрика, Вольта сам повторил эксперименты Гальвани, и они его убедили. Той весной он с энтузиазмом заявил, что “сменил настрой [в отношении идеи о животном электричестве] с недоверия на приверженность”. Весной 1792 года он быстро написал статью в ответ на трактат Гальвани, представив его работу как “одно из величайших и блестящих открытий, которое должно определить эпоху в развитии физических и медицинских наук”. В заключение Вольта писал, что Гальвани принадлежат “все заслуги и авторство в отношении этого великого и важного открытия”[40].
Но этот его полностью одобрительный настрой длился недолго. В следующей публикации, вышедшей всего через четырнадцать дней после первой, восторги Вольты значительно утихли[41]. Он походя предложил другое объяснение сокращений лягушачьей лапы: он утверждал, что электрический разряд производили металлы, использованные Гальвани, и обвинил того в незнании фундаментальных законов электричества. Вольта понимал, как материалы могут реагировать на отдаленный источник электричества без прямого контакта. Возможно, он осознал, что, если бы Гальвани знал этот закон, то понял бы, что причиной сокращения был материал крючка, а не какое-то внутреннее лягушачье электричество.
Вольта был не единственным, кто сменил в этом отношении жар на холод. Итальянский физик Эусебио Валли прибыл во Французскую академию наук для демонстрации эксперимента Гальвани[42]. Он одним из первых опубликовал статью в поддержку идеи животного электричества, в которой писал, что “открытие Гальвани не давало ему спать несколько ночей”. После демонстрации в академии были проведены повторные эксперименты, что было обычной практикой для проверки потенциально полезных или сомнительных исследований[43]. В комиссию вошли несколько известных научных авторитетов, среди которых был и французский физик Шарль Кулон, который позднее описал электростатические силы притяжения и отталкивания и именем которого теперь названа стандартная международная единица изменения электрического заряда. Однако ожидаемых подтверждений не последовало. Историк науки Кристин Блондель указывает на “неопределенность теоретических интерпретаций”, которые Гальвани дал своим экспериментам: иными словами, комиссия сочла, что Гальвани попросту представил старые суеверия в виде новой науки[44]. В любом случае отчет затерялся, и академия уклонилась от ответа.
У Вольты таких сомнений не было; он многократно повторил эксперимент и начал подозревать, что Гальвани совершенно неверно истолковал собственные результаты. Проблема заключалась в следующем: когда Вольта повторял эксперимент, мышцы лягушки сокращались не всегда. Иногда сокращались, а иногда нет, и Вольте показалось, что он понял, в чем дело. Когда он соединял части лягушки проволокой, сделанной из двух разных металлов (например, из олова и серебра), лапы действительно стабильно дергались. Но если он использовал проволоку из одного металла, лапы дергались или оставались в покое с одинаковой вероятностью. Исходя из этих наблюдений, Вольта начал подозревать, что Гальвани истолковал результат своего эксперимента с точностью до наоборот: возможно, электричество возникало не из какого-то биологического источника внутри лягушки, а поступало в ее тело откуда-то извне. Может быть, электричество каким-то образом создавал металл самой проволоки?
Вольта по-прежнему был удручен тем, что его электрофор, хотя и обеспечил ему профессорскую позицию, не вызвал бурного одобрения со стороны философов. Поэтому он продолжал поиски общей теории электричества, желая укрепить репутацию блестящего теоретика, и подозревал, что нашел ответ в противоречивых данных Гальвани. Через шесть месяцев после публикации трактата Гальвани Вольта опубликовал альтернативное объяснение мышечных сокращений. Для начала он яростно напал на теорию Гальвани: “Приравнивание животного духа к электрической жидкости, протекающей по нервам, представляет собой одно из тех “правдоподобных и привлекательных” объяснений, которые необходимо устранить при наличии противоречащих экспериментов”[45]. По его мнению, сокращение мышц на деле свидетельствовало о силе “несходства металлов” в проволоке, вставленной в тело лягушки. Вообще говоря, если бы причина дрожания лягушачьей лапы заключалась просто в неуравновешенности животного электричества, состав проволоки, соединявшей конечности лягушки, не должен был бы оказывать никакого влияния на результат. Но эксперименты самого Вольты показывали обратное. Чтобы мышца точно дернулась, требовалась проволока, сделанная “из двух металлов разного типа или различающихся по каким-то иным свойствам, таким как твердость, гладкость, блеск и т. д.”, – писал он.
Вольта выдвинул гипотезу о том, что контакт между любыми двумя разными металлами автоматически создает электричество. Он утверждал, что “металлы следует считать не просто обычными проводниками, но истинными моторами электричества, поскольку они производят его при любом контакте”[46]. Чем больше Вольта верил в это объяснение, тем более жесткими становились его формулировки. “Очевидно, нет причин предполагать, что здесь речь идет о природном органическом электричестве”, – писал он в одной из статей. В открытом письме, опубликованном в конце того же года, он бросил этой теории настоящий вызов. “А если так, что остается от животного электричества, о котором заявляет Гальвани? Все здание в целом грозит развалиться”.
Многие нерешительные ученые заколебались под напором этого мощного заявления: лягушки Гальвани внезапно оказались на раскаленной сковородке. В ответ Гальвани поставил новый эксперимент. А Вольта провел следующий. И так далее: эксперимент и контрэксперимент, раз за разом, и каждый пытался доказать, что другой ошибался. Тем не менее в целом оба продолжали вести себя по-джентльменски: даже в 1797 году, когда расхождения в их интерпретациях эксперимента с лягушкой уже явно невозможно было преодолеть, Гальвани все еще подчеркивал “эрудицию” и “глубину смекалки” Вольты, а Вольта в ответ называл эксперименты Гальвани “весьма изящными”.
Но этого нельзя сказать об их современниках, которые надолго разделились на враждующие группы в борьбе за сферу влияния. Как выразился физик Джоваккино Каррадори, заявления Вольты “прогремели громом правды”. Химик Луиджи Валентино Брунателли высокопарно объявил о “крушении теории Гальвани” под натиском “многочисленных атак грозного противника”. Одним из самых стойких сторонников Гальвани был его племянник Джованни Альдини, который не только помогал Гальвани проводить эксперименты, но и сам был автором нескольких публикаций. Он был чрезвычайно удручен безосновательными, на его взгляд, атаками. “Если бы нам приходилось ставить под сомнение добрую репутацию и цельность научного мнения каждый раз при возникновении малейшего недоверия, безусловно, у нас не было бы или почти не было бы теорий”, – заметил он в письме Вольте.